邱健蓄电池快速聚合电解质结构实现柔性锌空气电池的高压运行

柔性锌空气电池因其卓越的理论能量密度和固有安全性，已成为下一代可穿戴电子设备极具吸引力的候选方案。然而，电解质膜制备效率低下、电解质-电极界面粘附欠佳以及工作电压受限等持续存在的挑战阻碍了其大规模应用。本文提出一种室温快速聚合策略，通过碱活化过硫酸钾引发剂合成聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸钾）固态电解质膜，3分钟内即可实现完全聚合。该膜展现出超高离子电导率（0.75 S cm⁻¹) 并实现了柔性锌空气电池在10 mA cm-2电流密度下1.2 V的放电平台⁻²以及在1 mA cm-2电流密度下4200分钟的循环稳定性⁻²该研究通过创新性膜设计实现了单一基体内酸碱空间解耦集成，推动了可穿戴电子器件的发展。所制备的柔性锌空气电池展现出2.16V的突破性开路电压，这是目前已报道柔性锌空气电池系统中的最高记录值。本研究的快速聚合膜技术开创了锌空气电池高效固态电解质制备新方法，在解决界面分离和低电压限制的同时，为稳定酸碱双电解质系统开发提供了创新路径。

图文摘要

引言

柔性及可穿戴电子设备的蓬勃发展，催生了市场对兼具柔性、轻量化、安全性及成本效益的兼容性稳健储能系统日益增长的需求[1,2]。柔性锌空气电池（ZABs）凭借锌资源天然储量丰富、本征安全性高、理论能量密度突出（1086 Wh kg^-1）等显著优势，成为极具潜力的候选技术。⁻¹)，以及易于规模化制备的特性[3,4]。这些特性使其成为下一代储能技术极具前景的候选电源[[5], [6], [7], [8], [9]]。然而，其发展仍存在关键挑战，其中相对较低的工作电压是阻碍实际应用的根本性能限制[[10], [11], [12]]。柔性锌空气电池通常表现出约1.4伏，显著低于传统锂基体系（通常为3-4伏），从而限制了其在可穿戴电子设备中的实际应用[[13], [14], [15], [16]]。最新研究进展表明，通过基础电化学优化，创新型酸碱复合电解质可提升工作电压。该增强机制主要源于酸性环境下阴极电位的升高，其数值较碱性条件下高出约0。8伏——这一关键热力学优势可在保持材料柔韧性的同时实现电压放大[[17], [18], [19]]。
尽管集成酸碱电解质膜在柔性锌空电池架构中具有关键作用，但针对这些组件的可规模化合成技术开发仍未得到充分探索。固态电解质（SSEs）的工程化设计是推动柔性锌空电池技术发展的关键决定因素，其中凝胶聚合物电解质因其优异的离子传导性和机械顺应性已成为主流候选材料[20,21]。然而，传统水凝胶膜的制备通常需要高能耗的交联工艺（热/紫外活化）或依赖专用仪器（如静电纺丝设备或热压机）的多步骤方案[[22], [23], [24], [25]]。这些方法的加工时间过长（12-48小时，见表S3），从根本上制约了其在柔性电子制造领域的可扩展性。此外，阴极-电解质与阳极-电解质界面处的基础性不相容问题常引发局部电流密度尖峰，通过加速枝晶生长和电极分层加剧副反应，从而损害循环稳定性[7,26]。当代固态锌空电池（ZAB）结构主要采用两种设计：i) 离散组件组装的层压"三明治"构型，或ii) 具有鞘芯拓扑结构的同轴"电缆型"设计[[27], [28], [29], [30], [31]]。由于采用机械堆叠方案导致界面空隙和弯曲应变下的接触电阻，这两种范式均存在界面粘附欠佳的固有问题。此类结构限制严重削弱了柔性应用中持续深循环所需的电化学完整性[[32], [33], [34]]。
本研究提出了一种超快速聚合策略，通过碱活化过硫酸钾引发剂体系合成聚丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚物（RPAM-KA）膜，实现了3分钟内室温制备固态电解质。值得注意的是，该聚合动力学促进了电极间的原位界面聚合机制，在电极界面形成化学键合，从而降低界面阻抗。这一突破有效解决了柔性锌空气电池中长期存在的电极分层问题。此外，通过开发一种集成酸碱双层膜，展示了一种新颖的制备策略。该方法涉及在环境条件下将预聚合的碱性前驱体顺序浇铸到酸性水凝胶基质上。这种界面自组装过程可生成具有双pH区域的集成膜。快速凝胶动力学有效将碱性电解质封装在聚合物网络中，形成抑制层间离子扩散的物理屏障。与传统的混合电解质相比，该架构减少了中和反应。采用集成酸碱膜的固态锌空气电池（ZAB）表现出卓越的电化学性能，开路电压超过2.0 V，并保持1.88 V的稳定工作电压。这一创新成功解决了传统ZAB系统中工作电压持续偏低的技术难题。通过采用这种膜设计，该研究从根本上解决了界面分离问题，同时提升了电压输出，从而为柔性ZAB的开发提供了新策略。这一突破性进展显著推动了双电解质电池技术的发展，特别是在优化可穿戴应用的酸碱混合系统方面。